火电厂计算机控制幻灯片(第八章 现场总线控制系统)

第八章现场总线控制系统第一节现场总线概述能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统32020/3/23随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。现场总线的出现，是数字通信技术迅速占领工业过程控制系统中模拟量信号的最后一块领地。一种全数字化、全分散式、可互操作的和全开放式的新型控制系统——现场总线控制系统（FCS）已经成为当今的热点。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统62020/3/23能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统72020/3/23根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF（FieldbusFoundation）的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线有两种应用方式，分别用代码H1和H2表示。H1方式主要用于代替直流0～10mA或4～20mA以实现数字传输，它的传输速度较低，每秒几千波特，但传输距离较远，可达1900米，称为低速方式；H2方式主要用于高性能的通信系统，它的传输速度高，达到1兆波特，传输距离一般不超过750米，称为高速方式。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统82020/3/23由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）。把这一集通信、计算机、控制技术和现场智能设备作为一个整体的技术，称为现场总线技术。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统92020/3/23一、现场总线的特点现场通信网络现场设备互连互操作性分散功能块现场总线供电开放式互联网络能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统102020/3/231．现场通信网络现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备，使以往（包括DCS）采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输变为多点一线的双向串行数字式传输。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统112020/3/232．现场设备互连现场设备是指连接在现场总线上的各种仪表设备，按功能可分为变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备等，这些设备可以通过一对传输线即现场总线直接在现场互连，相互交换信息，这在DCS中也是不可以的。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统122020/3/23常用现场设备变送器常用的变送器有温度、压力、流量、物位、分析等，每类又有多个品种。这种智能型变送器既有检测、变换和补偿功能，又有PID控制和运算功能。执行器常用的执行器有电动和气动两大类，每类又有多个品种。执行器的基本功能是控制信号的驱动和执行，还内含调节阀的输出特性补偿、PID控制和运算，另外还有阀门特性自动校验和自动诊断功能。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统132020/3/23常用现场设备服务器和网桥服务器下接H1和H2，上接局域网LAN（LocalAreaNetwork）；网桥上接H2，下接H1。辅助设备辅助设备有H1/气压转换器、H1/电流转换器、电流/H1转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统142020/3/233．互操作性现场设备种类繁多，没有任何一家制造厂可以提供一个工厂所需的全部现场设备。所以，不同厂商产品的交互操作与互换是不可避免的。用户不希望为选用不同的产品而在硬件或软件上花力气，而希望选用各厂商性能价格比最优的产品集成在一起，实现“即接即用”，能对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统152020/3/234．分散功能块FCS废弃了传统的DCS输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。由于功能分散在多台现场仪表中，并可统一组态，用户可以灵活选用各种功能块构成所需控制系统，实现彻底的分散控制。虚拟控制站其中差压变送器除了含有模拟量输入功能块（AI110），还含有PID控制功能块，调节阀除了含有模拟量输出功能块（AO110），还含有PID控制功能块（PID110），这3个功能块即构成流量控制回路。FCAI110PID110AO110模拟量输入功能块PID控制功能块模拟量输出功能块操作员站局域网（LAN）现场总线现场总线现场总线现场设备现场设备网桥差压变送器调节阀服务器............图1－10现场总线控制系统FCS的结构模式能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统172020/3/23AIPIDAOLASPT101PV101PIC101FFFFFF能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统182020/3/235．现场总线供电现场总线除了传输信息之外，还可以完成为现场设备供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布线，而且还可以通过配套的安全栅实现本质安全系统，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中应用奠定了基础。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统192020/3/236．开放式互连网络现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。现场总线协议不象DCS那样采用封闭专用的通信协议，而是采用公开化、标准化、规范化的通信协议，只要符合现场总线协议，就可以把不同制造商的现场设备互连成系统。开放式互连网络还体现在网络数据库的共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统202020/3/23二、IEC61158现场总线标准Type1IEC61158技术规范，基金会现场总线（FF）的H1为其子集Type2ControlNet现场总线Type3Profibus现场总线Type4P－Net现场总线Type5FFHSE(HighSpeedEthernet)Type6SwiftNet现场总线Type7WorldFIP现场总线Type8Interbus现场总线能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统212020/3/23三、几种典型的现场总线CAN（ControlAreaNetwork）控制局域网络LonWorks是局部操作网络（LocalOperatingNetwork）ProFibus是过程现场总线（ProcessFieldBus）WorldFIP为世界工厂仪表仪器(WorldFactoryInstrumentProtocol)HART是可寻址远程传感器数据通道（HighwayAddressableRemoteTransducer）FF是现场总线基金会（FieldbusFoundation）能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统222020/3/23能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统232020/3/23CANCAN是控制局域网络ControlAreaNetwork的缩写，它是由德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在已经逐步应用到其它控制领域。CAN规范现已被国际标准化组织采纳，成为ISO11898标准。CAN协议也是建立在OSI模型基础上的，它采用了OSI底层的物理层、数据链路层和高层的应用层，其信号传输介质为双绞线。最高通信速率为1Mbps（通信距离40m），最远通信距离可达10km（通信速率为5kbps），节点总数可达110个。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统242020/3/23CANCAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均采用循环冗余校验CRC及其它检错措施，通信误码率极低。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，这时故障节点与总线脱离，使其它节点的通信不受影响。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统252020/3/23LonWorksLonWorks是局部操作网络LocalOperatingNetwork的缩写。它是由美国Echelon公司研制、于1990年正式公布的现场总线网络。它采用了ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最高通信速率为1.25MbpS（通信距离不超过130m），最远通信距离为27000m（通信速率为78kbps），节点总数可达32000个。网络的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统262020/3/23LonWorksLonWors的信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0~288个。LonWorks所采用的LonTalk通信协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中。芯片中有3个8位CPU，一个用于实现ISO/OSI模型中的第1层和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器；第二个用于完成3~6层的功能，称为网络处理器；第三个对应于第7层，称为应用处理器。芯片中还具有信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统272020/3/23PROFIBUSPROFIBUS是过程现场总线ProcessFieldBus的缩写。它是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170所规定的现场总线标准。PROFIBUS由三个兼容部分组成，PRMUS－DP是一种高速低成本通信系统。它按照OSI参考模型定义了物理层、数据键路层和用户接口；PROFIBUS－PA专为过程自动化设计，可使变送器与执行器连接在一根总线上，并提供本质安全和总线供电特性。PROFIBUS－PA采用扩展的PROFIBUS－DP协议，另外还有现场设备描述的PA行规；PROFIBUS－FMS根据OSI参考模型定义了物理层、链路层和应用层，其中应用层包含了现场总线报文规范FMS（FieldBusMessageSpecification）和低层接口LLI（LowerLayerInterface），最高通信速率为12Mbps（通信距离不超过100m），最大通信距离为1200m（通信速率为9.6kbps）。如果采用中继器可延长至10km，其传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络可挂32个节点，如带中继器，最多可挂127个节点。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统282020/3/23PROFIBUSPROFIBUS采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8字节，可变长帧每帧的有效字节数为l~244个。近年来，多家公司联合开发PROFIBUS通信系统的专用集成电路芯片，目前已经能将PROFIBUS－DP协议全部集成在一块芯片之中。能源与动力工程学院集控教研室第八章现场总线控制系统292020/3/23WorldFIPWorldFIP是世界工厂仪表协议WorldFactoryInstrumentProtocol的缩写。最初由Cegelec等几家法国公司在原有通信技术的基础上根据用户的要求所制定，随后即成为法国标准，后来又采纳了IEC物理层国际标准（IEC6ll58－2），并命名为WorldFIP。WorldFIP是欧洲现场总线标准EN50170-3。WorldFIP组织成立于1987年，目前包括有ALSTOM、Schneider、Honeywell等世界著名大公司在内的100多个成员。WorldFIP协议按照OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和应用层。WorldFIP采用有调度的总线访问控制，通信速率分别为31.35kbps、1Mbps、2.5Mbps，对应的最大通信距离分别为5000m、1000m、500m，其通信介质为双绞线。如果采用光纤，其最大通信距离可达40km。每段现场总线的最大节点数为32个，使用分线盒可连接256个